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但其重要性又往往被施工人员所忽略不注意总结经验和施工方法的路基施工,常导致路基沉陷、失稳或挡土墙滑移等诸多问题
同时,由于土源不同、性质有差异,很难从根本上找到一种具体通用的施工方法
由此研究土的压实机理,根据土的压实特性,特别是动荷载下的特性,寻求一种土方压实方法,对于提高工程质量、节约成本具有至关重要的意义
关键词:填土路基深陷击实试验 1研究土方压实的意义 填土层不同于天然土层,土体经过挖掘、搬运,原状结构已经遭到破坏,含水量也已变化,在堆填时土团之间必然留下许多大孔隙,使未经压实的填土强度低、压缩性大而且不均匀,遇水易发生塌陷、崩解等
特别是道路路堤若填土不实,在车辆动荷载的反复作用下,会出现不均匀或过大的沉陷、坍落甚至失稳,从而恶化运营条件,增加维修工作量
为此,在路基工程中,必须对其按一定标准进行压实
不同土的基本性质复杂多变,对外界因素作用反应也就各不相同
就土的压实而言,同一压实功对于不同状态土的压实效果可以完全不同,而为了达到同样的压实效果又可能会付出相当大的不合技术经济要求的代价
能否经济、合理、有效地进行土方压实,将直接影响工程进度、成本和质量
2土的压实机理 压实机械对路基土的碾压实际上是改变其三相组成比例,使土颗粒重新排列,压实变密,增加单位体积内固体颗粒百分含量,减少孔隙率,短时间内得到新的结构强度
包括增强粗粒土之间的摩擦和咬合,以及增加细粒土之间的分子引力改善土的性质,最终使强度增加,稳定性提高
通过碾压使土体达到: (1)连接的土粒重新排列靠近,密度增加,粘聚力增大
(2)经压实使土粒外表水膜更薄增加内聚力,提高土体抗剪强度
(3)通过压实将土体中连通孔隙的空气挤出,减小孔隙率,增大密度,提高土体的水稳定性,减少因冻胀引起的不均匀变形
大量试验和实践表明,土基压实后,路基的弹性模量、塑性变形、渗透量、毛细水作用以及隔温性能均有明显改善
3土压实效果的主要影响因素 影响压实效果的主要因素有内因和外因两个方面
内在因素是土的含水量和土的性质,外在因素是压实设备、压实时间与速度、土层厚度、压实时的自然条件和人为因素等
概括起来,土的压实度与压实功能、压实方法以及土的含水量有关
土壤的颗粒大小和组成成份对压实度有较大的影响
土或类似土的材料是否易于压实取决于土的粒径、颗粒表面特性以及级配
粒径较大的中粒土比表面积小,颗粒之间的粘结力弱,易于在外力作用下产生位移而容易压实;粉土、粘土颗粒小,比表面积大,颗粒间薄膜水互相吸附作用较强,自由水排出困难,压实阻力大而难于压实
接近立方体、棱柱体的易于压实;薄片、长条多的难压实
颗粒表面有一定粗糙度的虽然阻抗力要大些,但在碾压过程中产生位移后能稳定在新的位置,而表面光滑接近圆形的颗粒,虽易于移动,但不易稳定,常难于压实
而土粒级配是否良好,决定了土体能否被压实到理想密度,级配良好的土,可以用较少的压实功压到要求的密实度,级配差或不含级配的土,尽管投入相当大的压实功,仍会留下很大的空隙
因此在填料选择时应优选用天然级配较好的中、粗粒土,砂性土,尽量避免使用粉土、粘土,光滑无棱又颗粒均匀等难于压实的材料
3.1土质的影响 土质对压实效果的影响很大,一般规律是:土质不同,最大干密度和最佳含水量的数值也不一样,而且分散性越高的土,其最佳含水量值也越高,最大干密度值越低;砂性土压实效果优于粘性土,其机理在于土粒越细,表面积越大,土粒表面水膜所需的湿度也越大,加之粘土中亲水性胶体物质含量较高所致
3.2含水量的影响 压实的作用是使土块变形和结构调整以致密实
目前,关于含水量对土体压实的理论较多,比较流行的解释是:在松散土含水量较少时,由于颗粒间引力(可能还包括了毛细管压力)使土保持着比较疏松的状态或凝聚结构,土中孔隙大都相互连通,水少而气多,在一定的外部压实功能下,虽然土空隙中气体易被挤出,密度可以增大,但由于水膜润滑作用不明显,以及外部功能还不足以克服土粒间引力,土粒相对移动很不显著,因此压实效果较差;含水量逐渐增大时,水膜变厚、土粒润滑、土块变软,引力减弱,施以外部压实则土粒移动而挤密,压实效果渐佳;在接近最佳含水量时,土中孔隙更少连通或不连通,孔隙中的水和气趋于封闭状态,压实时土内产生的孔隙水压力和孔隙气压力减低了击实功的作用,但这时最有利于土粒受击实时发生相对移动使土体密实,以致能压实到最大干密度,或者说,在最佳含水量时,土的密度达到了该压实功能下的极限值,干密度不再提高;当含水量继续增加,孔隙中出现了自由水,压实时孔隙水不易排出,形成较大的孔隙压力,阻止了土粒的靠拢,所以压实效果反而下降【2-3】
3.3压实功的影响 压实功指施工时压实机具的品种、质量、碾压次数或试验仪器落锤高度、作用时间等,其对压实效果的影响是除含水量以外的另一重要因素
3.4其他因素的影响 (1)填方用土拌和的均匀程度对压实度的影响:由于土场中砂的分布以及土块大小不可能完全均匀一致,土质的均匀程度达不到试验取样的混合程度,在施工中也就不能保证填方土像试样那样土质均匀、含水量一致
因此,在碾压功能一定的条件下,压实效果也就不会一样
(2)压实厚度对压实效果具有明显影响不同,压实机具有效压实深度不同
在相同压实条件下(土质、含水量与压实功能不变),土层不同深度的密度随深度递减,因此,填方土基压实时,每次摊铺合理的土层厚度是保证压实效果的重要因素之一
(3)填方施工每层的平整度对压实度的影响在碾压施工操作中,表面平整度会导致机械压实时各部位压实度不均匀,使一些部位的压实度可能低于要求
4控制土基压实的方法和措施 (1)控制指标 击实试验是室内研究土的压实特性的基本方法【6】,可为现场施工提供控制压实质量的重要参数,如最佳含水量、最大干密度、液限、塑限、塑性指数等
但工程上的填方压实条件与室内击实试验条件是有差别的
例如现场填筑时的碾压机械与击实试验的自由落锤的工作情况不同,前者大都是碾压,而后者则是冲压
现场填筑中土在填方中的变形条件与击实试验时土在刚性击实筒中的也不一样,前者可产生一定的侧向变形,而后者则有侧限
为便于压实质量的控制,只能采用压实系数,即以压实度表征
(2)方法和措施 1)土质选择与改善措施 考虑填方用土的原则:在充分考虑本工程范围内的弃借土方平衡和合理运距后,如无特殊要求时,宜选择砂性土、粘性土为填方用材料
在雨季施工,最好选用砂性土或掺砂的方法改善土质
在开挖深度范围内取土样,通过试验,确定补砂比例和补砂量,均匀摊铺,原地掺拌均匀
2)含水量控制 填方路基碾压时能否控制土的含水量接近最佳含水量是碾压达到压实度要求的关键
北京地区大多数土场的土,实际含水量一般都大于最佳含水量,因此往往需要采取以下措施:①土场拌和
②现场拌和
③)含水量必须根据土质、实际含水量、土场情况以及工期、施工季节等因素确定
④在雨季施工,必须做到快,同时做好排水;下雨之前,应及时碾压,以防水分下渗
(3)填方土层厚、拌和均匀度及平整度的控制 填土段的摊铺厚度、均匀度及平整度是实现碾压功能对每个点都做相同功的基础,因此在施工中应做到:(1)每层虚铺厚度平整,土与水拌和均匀,为均匀压实创造条件
(2)按高程控制平整度,确保不超厚
(3)横断面坡度要符合要求,并以略凸为好
(4)以平地机和压路机平整压实,以消除虚实差异
(4)碾压设备的选择与压实要求 1)现行规范【7】及标书中大都规定填土每层厚度不超过20cm,而且路基顶面以下0~80cm压实度≥96%
由上可知,增加压实功能可以提高土基强度,但功能增加到一定程度,效果提高较为缓慢,一旦功能过大破坏了土的结构,效果适得其反
当土的含水量过大时,若继续增大压实功能,必将出现“弹簧现象”,压实效果很差,造成返工浪费
所以,合理选择压实功能亦是控制压实效果的极其重要的措施,否则难以达到压实要求
2)根据经验,结合当地实际情况,在要求压实度为96%、94%、93%、区域选择合适的碾压方式,合理选择碾压机具也是控制压实效果的重要方面
3)应选择合理的施工工序;压实过程中,还要经常检查土基含水量和密度,以达到符合规定的压实度要求
最后以外观无明显轮迹时终止碾压
5结束语 近几年来公路的发展较快,但有些工程竣工通车后,在较短的时间内有的路段尤其是高填方路段即出现了不均匀和不同程度的沉降,该种现象表现为填方越高,沉降幅度越大,严重路段甚至造成交通中断
沉降的原因是多种的,但可以归纳为2大类:地基承载力不足引起的路基下沉;路基压实度满足不了自重应力的作用,产生了压缩性沉降
参考文献: 【1】方左英.路基工程【M】.北京:人民交通出版社,1990. 【2】张登良.加固土原理【M】.北京:人民交通出版社,1990. 【3】洪毓康.土质学与土力学【M】.北京:人民交通出版社,1989 【4】沙庆林.公路压实与压实标准【M】.北京:人民交通出版社2000. 【5】JTJ051-93,公路土工试验规程【S】. 【6】JTGF80/1-2004,公路工程质量检验评定标准【S】. 【7】JTJ033-15,公路路基施工技术规范【S】. 施工困难,质量难以保证,几乎难免渗漏现象
改变连拱隧道结构形式,采用曲中墙形式
用膨胀水泥配制混凝土,使二次衬砌成为刚性自防层,有较高的技术 经济 效果
【关键词】曲中墙连拱隧道 膨胀水泥衬砌 自防水 1 公路隧道目前通用防水结构 公路隧道,已普遍按新奥法设计施工
洞内防水,采用在初护与二次衬砌层间铺设防水板,防水板与初护面间铺设缓冲层无纺土工布
出厂时,土工布与防水板已胶合成双层结构
二次衬砌之混凝土,添加防水剂,要求防水混凝土的抗渗性能达到S6
通过纵向、横向弹簧软管、塑料管将二衬背后积水引至排水沟
这种多保险的防水结构,有较好的防水功能
从理论上讲,洞内防水问题已解决了
但从实际看,已建成通车的众多隧道中,漏水的不多,但渗水现象却不少
要完全防止隧道渗水,仍是设计、施工的一道难题
2 隧道防水层施工存在问题 2.1防水层施工及质量 防水板种类繁多,为塑料、橡胶制品,主要的品牌有PVC、EVA、LDPF、PB等,厚度1.2~2mm,质量0.3~0.4kg/m2
土工布对防水板有保护作用,减少防水板因磨擦、张拉而破裂的可能性
防水板单幅宽2.0m,沿隧道环向铺设,每环防水板、土工布重约30余公斤
初护之后拱顶至拱脚高度9m左右
为铺设防水板,需制作一个可纵向移动的工作台架
要把防水板钉在初护面上,有两种方法:一是用钢钉将防水板钉在初护面上,钉孔处要用防水板胶贴密封,防钉孔漏水
二是防水板与土工布在工厂已胶合的防水卷材,在土工布上已穿有绳带,绳带间距约0.8m×1.0m
对此类防水卷才,则先用冲击钻在拱墙上打眼,在眼内打钉,将防水卷材之绳带系在钉上
此种方法目前使用较多
铺设防水板的要求是:喷混凝土表面不得有锚杆头或凸凹不平部位应修凿或喷补,两固定点间防水板不得绷紧,浇混凝土时使防水卷材要紧贴岩面或初护喷混凝土面,相邻两环连接,搭接宽度不少于10cm,采用电热焊接或防水板厂家提供的防水板专用的胶剂胶接
接头要连接紧密,不渗水,且有一定的抗拉强度
影响防水板铺设质量因素有:a.开挖面或初护面凸凹不平,防不板背面有空洞空隙
b.开挖面或初护面有突起棱角刺破防水板
c.由于防水卷材自重拉断挂绳,拉裂接头
d.后道工序钢筋拱架施工时,防水板被钢筋刺破,被电焊烧破
e.二衬安装端头模板及端模加固件时,防水板被拉裂
防水板铺设均在简易的脚手台架上进行,承包人自检、监理复检都得攀杆爬高,可能出现漏检
因而虽从理论上设计解决了隧道防水问题,而实际渗漏现象常有发生
2.2复合衬砌的存在问题 公路隧道的复合衬砌,由内、外两层复合而成
内层为二次衬砌,一般采用现浇素混凝土或钢筋混凝土,外层为初期柔性支护,一般采用锚杆+钢筋网+喷混凝土
I、II类围岩初护时一般安工字钢拱架或钢格栅拱架
内、外两层间铺设防水层
外层表面难免有凸凹不平,防水层背面有可能出现空洞
由于内、外两层间防水层的分隔,局部有空隙,内、外两层不能整体地受力
首先受力是外层,外层受荷载产生一定的变形后,内层才开始受力
这种不均匀的分离受力,外层强度相对较弱,容易先单独破坏
这是复合衬砌存在一个受力状态不良的问题,减少了复合衬砌结构总体联合承载的能力
3 高速公路隧道上、下行分离的方式、防排水条件与工程投资 3.1两座独立隧道 《公路隧道设计规范》(以下简称《隧规》要求:“高速公路、一级公路一般应设计为上、下行分离的两座独立的隧道
”两座独立的隧道,洞内防排水条件好,设计、施工经验较成熟
但项目总投资大,因为:山区、丘陵区是隧道密布地区
由于地面起伏大、沟谷狭窄,线位受山河约束
在困难的地形条件下,将上、下行设计为分离的两座独立的隧道,将明显增加工程投资
《隧规》规定两隧道的最少净距如下表: 注:B为隧道开挖断面宽度(m) 以II类围岩为例,双车道单洞开挖断面宽度约14m,则最小净距为42m~70m
间距拉开之后,上、下行线位将遇到新的困难,将有连锁反应,引起新的桥、隧工程或重大支挡防护工程
3.2小净距隧道 两隧道间的净距,最小净距为3m~1.5B,此类隧道防排水条件与独立单洞完全一样,仍以II类围双车道为例,占地宽度与双洞相比,减少39m~49m,则相应的洞外桥、路工程投资也明显减少
小净距隧道已被设计部门注视,在重庆、宁波、福建等地都有小净距隧道的修建
3.3连拱隧道 上、下行两座隧道,只以中墙隔开,左、右相邻两拱同支承于中墙顶部,习惯上称为连拱隧道
我国现行铁路、公路隧道设计规范中尚无此名目
是近十余年我国高速公路建设中隧道结构的新创造
洞内防排水条件差,施工困难,但项目总投资最低
4 连拱隧道主要特性 4.1连拱隧道的类型 4.1.1直中墙对称连拱隧道 此类隧道出现最早,在各省首批修建的连拱隧道多是这种形式
是我国连拱隧道修建的第一阶段
4.1.2直中墙不对称连拱隧道 此类连拱隧道本世纪初才出现,它的直中墙与一个连拱构成整体
是对直中墙对称连拱隧道防水缺陷的改进
贵州省玉屏~凯里(沪瑞国道的一段)高速公路推荐方案中有25座直中墙不对称连拱隧道
4.1.3曲中墙对称连拱隧道 此类隧道亦本世纪初才出现,它与直中墙连拱隧道的区别是将直中墙改为曲中墙,也是对直中墙对称连拱隧道防水缺点的重大改进
在福建省三明至福州高速公路的连拱隧道多采用曲中墙形式
4.2中直墙对称连拱隧道的主要优、缺点 中直墙对称连拱隧道的主要优点:线路带状宽度最少,占用土地最小,洞外桥路工程少,项目总投资最少,这些突出的优点,受到设计部门,建设单位(业主)的普遍欢迎
在短短的十余年间蓬勃 发展
到目前为止,已建成或在建的连拱隧道都大多是这种中直墙对称连拱隧道
中直墙对称连拱隧道的主要缺点:中直墙顶与两侧拱相连,呈W形,墙顶两侧低谷处,是防水板纵向接缝处,先施工的中墙顶两侧予留的防水板接头,经多次下道工序如浇筑中墙,预埋钢筋,两侧主洞爆破开挖,预留防水板接头多被污染、破坏
两侧拱部后道工序铺设的防水板与中墙预留防水板连接操作困难,很难接好,对已破损缺口修补也操作困难
此处又是环向集水点,防水板搭接处任何一个微孔,便会出现渗水、漏水
连拱隧道中墙顶防水板连接是难中之难
中墙顶部参水、漏水较为普遍,已引起设计、施工部门十分关注
5 曲中墙对称连拱隧道是防水结构设计的最优形式 曲中墙对称连拱隧道,中墙两侧的隧洞,其轮廓、防水卷材铺设、洞内排水管线,二次衬砌台车均与一般独立的隧道相同
从而避免了中墙顶部的两个集水低俗
也避免防水板在中墙处两条纵向接缝
施工难度少,质量控制较易
衬砌台身可与普通公路隧道通用
洞门两洞对称、美观 艺术
其他连拱隧道的优点它都有,它的某些优点却是独具的
曲中墙对称连拱隧道,在中墙防水方面,在结构轮廓方面,技术合理性好,开挖跨度也相对少些
这种结构形式,将会受到设计、施工、业主各方的欢迎
6 尝试用膨胀水泥混凝土防水 隧道防水,目前普遍采用防水卷材,虽行之有效,但存在弊病,据卢坚、刘克忠等《AEC膨胀水泥特性和隧道衬砌》一文介绍,AEC膨胀水泥有良好的抗渗性能,经试验,AEC膨胀水泥砂浆总孔隙率比硅酸盐水泥砂浆降低了10%左右
用标准方法测定的AEC膨胀水泥混凝土渗透高为0cm~5cm
由结果表明:AEC膨胀水泥混凝土具有很好致密性和抗渗能力
二次衬砌采用AEC膨胀水泥混凝土浇筑
可以达到刚性自防水的目的
从而省去卷材防水层、减少了有关防水设施的工序,也有利于提高复合衬砌的结构受荷强度
经试验,AEC膨胀水泥混凝土的抗裂性能、抗耐蚀性能均优于普通水泥,后期强度也高于普通硅酸盐水泥
7 结束语 公路连拱隧道是近十余年蓬勃发展起来的
隧道防水问题也是有高速公路隧道之后才被重视
在发展过程中不断改进完善
这是事物发展的必由之路
在各种形式的连拱隧道中,曲中墙连拱隧道优点较突出,在比选中会受到重视
二次衬砌使用ACE膨胀水泥混凝土防水,最为理想
开展这方面研究、试验,会有更好的技术 经济 意义
参考 文献 :
【1】公路隧道设计规范(JTJ026-90).北京:人民 交通 出版社,1995,09.
【2】唐颖,陈晓钜.浅论连拱隧道设计.北京:人民交通出版社,2001,10.
【3】高世军,吴怀友,熊世龙.双连拱隧道技术设计.人民交通出版社,2001,10.
【4】卢坚,董兰女,陈卫武,刘克忠,江云安.AEC膨胀水泥特性和隧道衬砌.人民交通出版社,2001,10.
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